新工科背景下計算材料學(xué)實驗教學(xué)改革與實踐

郭 丹， 金劍鋒， 王明濤， 賈 楠， 秦高梧

(東北大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110819)

0 引 言

隨著材料基因組計劃的發(fā)展，數(shù)據(jù)科學(xué)逐漸應(yīng)用于材料領(lǐng)域，國內(nèi)外研究人員基于高通量計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)在預(yù)測材料方面取得很多成果，形成了以數(shù)據(jù)為核心的材料設(shè)計方法[1-3]，材料設(shè)計逐漸由傳統(tǒng)的、相對低效的“經(jīng)驗+實驗”轉(zhuǎn)向新型的、高效的“數(shù)據(jù)+計算+實驗”模式。而計算材料學(xué)便是在此背景下迅速發(fā)展的一門學(xué)科。它是綜合了材料、物理、數(shù)學(xué)、力學(xué)、計算機等學(xué)科的新興跨領(lǐng)域?qū)W科，利用計算機模擬材料的物理和化學(xué)等性質(zhì)，研究材料從微觀到宏觀多個尺度的特征，預(yù)測材料的結(jié)構(gòu)和性能，達到優(yōu)化材料、設(shè)計新材料的目的[4-5]。因其學(xué)科交叉特點，計算材料學(xué)的教學(xué)內(nèi)容涉及大量抽象概念、數(shù)學(xué)運算，理解起來較為困難，僅依靠傳統(tǒng)的理論教學(xué)模式往往讓學(xué)生覺得枯燥乏味，較難集中注意力跟上教師的教學(xué)進度[6]。因此，實驗環(huán)節(jié)在計算材料學(xué)教學(xué)過程中具有重要作用。合理的實驗內(nèi)容設(shè)置能夠充實理論教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力[7-9]。近幾年，為進一步加強實踐育人工作，我校材料科學(xué)與工程學(xué)院基于新工科和“中國制造2025”等國家重大戰(zhàn)略理念[10-12]，以人才培養(yǎng)為核心，對計算材料學(xué)課程中的實驗教學(xué)環(huán)節(jié)進行改革，以前沿科研內(nèi)容引領(lǐng)實驗教學(xué)內(nèi)容的改革，在原有以編程為主的上機實驗內(nèi)容中增設(shè)“材料數(shù)據(jù)+計算模擬”環(huán)節(jié),實踐中已取得良好的教學(xué)效果。

1 實驗教學(xué)改革背景

以鎂合金產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景為例進行材料數(shù)據(jù)+計算模擬實驗教學(xué)主題設(shè)置。在全球綠色節(jié)能發(fā)展的趨勢下，我國不斷推進航空、航天、汽車、軌道交通等領(lǐng)域輕量化發(fā)展，而鎂合金具有密度小、比強度和比剛度高、導(dǎo)熱性良好、切削性能好等特點，是推進輕量化發(fā)展的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料[13-15]。但與傳統(tǒng)材料相比，鎂合金的常溫力學(xué)性能特別是強度和塑性還有待進一步提高，這成為限制鎂合金廣泛應(yīng)用的一個主要問題。本門課程基于上述前沿科研背景，設(shè)置材料數(shù)據(jù)實踐環(huán)節(jié)，讓學(xué)生從已公開發(fā)表的科研文獻中分組收集鎂合金數(shù)據(jù)，以期未來建立一個全面的鎂合金材料數(shù)據(jù)庫，指導(dǎo)鎂合金的優(yōu)化設(shè)計，推動鎂合金的研究和發(fā)展。同時，設(shè)置計算模擬實驗環(huán)節(jié)，從材料數(shù)據(jù)實踐環(huán)節(jié)結(jié)果中提取材料特征數(shù)據(jù)，進一步通過有限元力學(xué)模擬，預(yù)測出材料的力學(xué)性能，建立“組織-性能”之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

2 教學(xué)軟件

在材料數(shù)據(jù)實踐環(huán)節(jié)，使用Granta CES(Cambridge Engineering Selector)(教學(xué)版)作為示范教學(xué)的軟件。學(xué)院于2018年購買了該教學(xué)版軟件的版權(quán)，將其運用到計算材料學(xué)實驗教學(xué)中，取得了良好的教學(xué)效果。Granta CES最早由英國劍橋大學(xué)工程系開發(fā)，目前為美國ANSYS公司收購，故又為ANSYS GRANTA CES。它是一款專業(yè)工程軟件，內(nèi)置了多種材料數(shù)據(jù)庫，可根據(jù)工程設(shè)計準則進行智能材料屬性篩選，輔助工程材料的設(shè)計、優(yōu)化工藝和環(huán)保設(shè)計。Granta CES數(shù)據(jù)庫中提供了大量的材料數(shù)據(jù)，可以通過Ashby圖來進行不同材料屬性數(shù)據(jù)之間的對比及篩選[16]，適于在計算材料學(xué)課程中幫助學(xué)生們更直觀地理解和應(yīng)用材料數(shù)據(jù)。

計算模擬環(huán)節(jié)使用的模擬軟件為英特工程多物理場仿真軟件[17]，該軟件能夠針對工程中常見的結(jié)構(gòu)、流體、溫度、電磁等多物理場問題進行模擬計算，應(yīng)用于汽車工程、航空航天工程、機械、電力系統(tǒng)、生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域，適于在計算材料學(xué)課程中的計算模擬環(huán)節(jié)幫助學(xué)生實現(xiàn)運用有限元方法模擬鎂合金力學(xué)性能。

3 實驗教學(xué)實施過程

新實驗方案中材料數(shù)據(jù)+計算模擬實驗教學(xué)內(nèi)容包括材料數(shù)據(jù)庫應(yīng)用、材料數(shù)據(jù)收集與篩選、目標材料計算模擬、組織-性能關(guān)系建立4部分，通過這些實驗教學(xué)環(huán)節(jié)培養(yǎng)學(xué)生的團隊協(xié)作、自主學(xué)習(xí)、動手實踐、科研分析、創(chuàng)新思維等多項綜合能力，如圖1所示。

圖1 實驗教學(xué)環(huán)節(jié)和能力培養(yǎng)目標

3.1 材料數(shù)據(jù)庫應(yīng)用-Granta CES(教學(xué)版)數(shù)據(jù)庫應(yīng)用

在材料數(shù)據(jù)實踐環(huán)節(jié)，首先向?qū)W生介紹Granta CES Edupack教學(xué)版軟件的使用。以調(diào)用CES數(shù)據(jù)庫中的鑄造鎂合金材料為例，讓學(xué)生了解CES數(shù)據(jù)庫的材料數(shù)據(jù)組成。打開鑄造鎂合金的資料界面，可以看到鑄造鎂合金的描述、產(chǎn)品信息，以及不同的材料屬性，包括力學(xué)、熱學(xué)等屬性，如圖2所示。

由于教學(xué)版的材料屬性有限，本環(huán)節(jié)借助一個簡單工程實例向?qū)W生演示如何運用Granta CES數(shù)據(jù)庫軟件進行材料選擇。以設(shè)計船槳材料為例：船槳材料要求是質(zhì)量輕、剛度好的桿材料，根據(jù)工程準則：

M=E1/2/ρ

(1)

M的值越大越好，式中E為彈性模量，ρ為密度。同時還要求斷裂韌性K1C>1 MPa·m1/2，價格C<600 元/kg，目標是盡量達到最小化質(zhì)量。首先，使用CES軟件繪制不同材料M值分布圖，如圖3(a)所示，設(shè)定選擇M>0.004的區(qū)間。然后，創(chuàng)建斷裂韌性 (K1C) 和價格(C)的對比圖，框選出K1C>1 MPa·m1/2、C<600元/kg的范圍，如圖3(b)所示。結(jié)合M值判據(jù)的材料范圍，篩選出4類滿足要求的材料，分別為Bamboo (竹子)，Wood (木頭) 這兩類為傳統(tǒng)的船槳材料；CFRP(碳纖維增強的高分子材料)，該材料通常為賽艇用的船槳材料；Ceramics (陶瓷) 比較脆，一般不適用。通過此例讓學(xué)生們學(xué)習(xí)如何運用Granta CES軟件基于材料數(shù)據(jù)庫進行材料選擇和設(shè)計。

圖2 Granta CES軟件數(shù)據(jù)庫中典型材料屬性數(shù)據(jù)

(a) 不同材料M值分布圖

3.2 材料數(shù)據(jù)收集與篩選-設(shè)定材料指標與鎂合金數(shù)據(jù)收集

應(yīng)用Granta CES Selector(2020)科研版數(shù)據(jù)庫，以設(shè)計新型輕量化的汽車座椅骨架材料為例，設(shè)定新型材料需要滿足力學(xué)性能指標：屈服強度σ0.2≥142 MPa、抗拉強度σb≥225 MPa、延伸率δ≥8.3%、價格C<100 元/kg、密度ρ<2 200 kg/m3，同時還需要有一定的可加工性。根據(jù)上述構(gòu)件應(yīng)滿足的力學(xué)指標，在CES Selector軟件的數(shù)據(jù)庫中篩選出符合條件的工程材料，結(jié)果大部分為鎂合金材料，如圖4所示。

(a) 屈服強度(σ0.2)和密度(ρ)對比圖

為進一步優(yōu)化鎂合金材料的性能，在實踐環(huán)節(jié)中安排學(xué)生對不同成分的鎂合金進行科研文獻檢索，收集和篩選相關(guān)數(shù)據(jù)，為鎂合金優(yōu)化設(shè)計提供支持。學(xué)生以小組形式進行，每4或5人1組，布置不同合金體系鎂合金的文獻調(diào)研課堂作業(yè)：要求每組學(xué)生從表1所列舉的34類常見鎂合金中選擇一類作為研究對象，針對該合金查閱6篇以上2015年后發(fā)表的SCI英文文獻，其中至少包含2篇實驗、2篇原子尺度模擬、2篇有限元微觀/宏觀尺度模擬的文獻；并根據(jù)文獻整理數(shù)據(jù)和結(jié)果提交報告，報告內(nèi)容包括:① 鎂合金背景和應(yīng)用介紹；② 采用的模擬或?qū)嶒灧椒?；?整理出合金成分、工藝參數(shù)、材料熱物性等參數(shù)、典型顯微組織圖(標識出晶粒、析出相等特征結(jié)構(gòu))、典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線、強化機制、數(shù)據(jù)來源等相關(guān)數(shù)據(jù)信息。該環(huán)節(jié)旨在讓學(xué)生具備查找和收集專業(yè)材料數(shù)據(jù)的能力，從而加深對材料數(shù)據(jù)和材料研究的理解。

表1 不同合金體系的鎂合金及對應(yīng)的工業(yè)牌號

同時，我院也正在開發(fā)專業(yè)的材料數(shù)據(jù)庫，如圖5所示；將學(xué)生們收集的材料數(shù)據(jù)按條目錄入該數(shù)據(jù)庫，以數(shù)據(jù)庫網(wǎng)站形式發(fā)布，方便學(xué)生查詢和分析，更好服務(wù)于未來的實驗教學(xué)和科研。

(a) 鎂合金數(shù)據(jù)庫界面

3.3 計算模擬-基于第2相組織特征的有限元力學(xué)性能模擬

在計算模擬實驗環(huán)節(jié)，針對鎂合金中第2相組織特征進行有限元力學(xué)性能模擬。模擬方法是基于科研課題建立起來的顯微組織有限元力學(xué)模型，可用于模擬不同顯微組織下材料的力學(xué)行為。

典型有限元模擬操作分為3部分：前處理、加載和求解、后處理。在本教學(xué)環(huán)節(jié)中，首先向?qū)W生介紹英特工程多物理場仿真軟件的使用方法，以模擬鎂合金在單向拉伸過程中的力學(xué)行為為例。有限元模擬采用平面應(yīng)變二維模型，模型設(shè)置如圖6(a)所示，包括4個第2相粒子(淺黃色)，鎂基體(淺藍色)，基體尺寸為 2.0 μm×2.0 μm。自定義的第2相為體積含量 14%、半徑0.21 μm、均勻分布的圓形顆粒。前處理主要包括：定義工作文件名、定義工作標題、重新顯示工作窗口，定義單元類型、定義基體材料彈性/非彈性屬性、定義顆粒材料屬性、創(chuàng)建顆粒的幾何模型、創(chuàng)建基體幾何模型、除去基體矩形中顆粒所占的空間、顯示實體的屬性編號、定義單元網(wǎng)格劃分參數(shù)、對基體進行網(wǎng)格單元劃分、對顆粒進行網(wǎng)格劃分、合并基體和增強顆粒區(qū)域、節(jié)點方式顯示，如圖6(b)所示。加載和求解主要包括：定義約束條件、施加載荷、定義分析類型、定義允許大變形、定義輸出結(jié)果的時間頻率、定義總/子時間步長、求解。后處理主要包括：設(shè)定某個時間步長、繪制變形應(yīng)力圖、應(yīng)變與應(yīng)力輸出、繪制應(yīng)力-應(yīng)變曲線等，模擬得到的微區(qū)應(yīng)力分布圖，如圖6(c)所示。然后，由學(xué)生動手實踐以上步驟，實現(xiàn)相關(guān)的計算和模擬。

(a) 建立幾何模型

3.4 建立組織-性能關(guān)系-分組模擬及結(jié)果比較

本環(huán)節(jié)以小組為單位進行計算模擬實踐。各組學(xué)生在之前環(huán)節(jié)所提取的鎂合金特征數(shù)據(jù)中分別選出1張典型的第2相強化的鎂合金組織圖片，從中抽象出第2相類型、形狀、尺寸、分布等，構(gòu)建出對應(yīng)的有限元平面應(yīng)變力學(xué)模型，模擬其在單向拉伸過程中的力學(xué)行為(見圖7)，并對各組模擬結(jié)果進行比較，探討相同含量下，第2相顆粒的分布(Model-2)、尺寸(Model-3)、類型(Model-4)、形狀(Model-5)等屬性對鎂合金綜合力學(xué)行為的影響，構(gòu)建出理想化的“組織-性能”之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。該過程旨在讓學(xué)生通過動手操作有限元軟件加深對于計算模擬過程的認識，并通過結(jié)果對比鍛煉科研分析能力。同時，基于此過程的“組織-性能”模擬的虛擬仿真平臺目前也正在積極地建設(shè)中，其界面如圖7(c)所示。

(a) 力學(xué)性能

4 教學(xué)效果

4.1 激發(fā)學(xué)生的科研興趣

傳統(tǒng)的實驗課程多為計算類實驗，學(xué)生在實驗前便已知結(jié)果，多為計算模型的操作與驗證過程，形式上較難激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，造成學(xué)生被動參與，教學(xué)效果不佳。改革后的“材料數(shù)據(jù)+計算模擬”實驗教學(xué)是基于新工科理念設(shè)計的，將本學(xué)科前沿的科研內(nèi)容引入實驗教學(xué)，充實理論教學(xué)內(nèi)容，能夠提高學(xué)生的科研興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。同時，參與實驗的每一位學(xué)生，通過自己動手完成收集數(shù)據(jù)、提取數(shù)據(jù)、制定模擬方案、計算材料性能、建立“組織-性能”關(guān)系等一系列實驗環(huán)節(jié)后，必將大幅增加學(xué)生的成就感、學(xué)科歸屬感和集體榮譽感，使學(xué)生更有興趣和動力去認真完成本專業(yè)的學(xué)習(xí)，更有信心去步入今后的科研道路。

4.2 形成數(shù)據(jù)驅(qū)動的材料設(shè)計理念

未來的時代是人工智能高速發(fā)展的新時代，數(shù)據(jù)+人工智能已成為材料基因工程的核心，依靠科學(xué)直覺與反復(fù)嘗試的傳統(tǒng)材料研發(fā)方式已不能適應(yīng)時代的發(fā)展需求。在新時代背景下，學(xué)生的科研思維也需要與時俱進，緊跟時代發(fā)展腳步。本材料數(shù)據(jù)+計算模擬實驗環(huán)節(jié)能夠讓學(xué)生加深對于材料基因工程的理解，從而在材料研發(fā)的思維方式上發(fā)生轉(zhuǎn)變，形成一種數(shù)據(jù)驅(qū)動的材料智能設(shè)計新理念，以培養(yǎng)新工科建設(shè)所需的創(chuàng)新型卓越工程人才。

4.3 提高自主學(xué)習(xí)能力和團隊協(xié)作能力

在社會發(fā)展日新月異的當(dāng)下，自主學(xué)習(xí)能力和團隊協(xié)作能力已成為工作中兩項不可或缺的能力。未來社會需要的是終身學(xué)習(xí)，學(xué)校的教育理念也該從教授學(xué)生如何“學(xué)會”到如何“會學(xué)”轉(zhuǎn)變，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力是新工科背景下學(xué)生個體發(fā)展的必然要求。而對集體而言，建立團隊意識能夠凝聚團隊成員的智慧與能力，實現(xiàn)成果最優(yōu)化。本門課中的“材料數(shù)據(jù)+計算模擬”實驗環(huán)節(jié)均以小組為單位完成，各組學(xué)生在所布置的實驗要求下，自主檢索文獻、分析數(shù)據(jù)、制定模擬方案、建立組織-性能關(guān)系，當(dāng)遇到問題時通過組內(nèi)交流自行解決，形成互幫互助的機制，充分調(diào)動學(xué)生的積極性，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和團隊協(xié)作能力，同時也使表達能力得到提升。

5 結(jié) 語

本門課中的“材料數(shù)據(jù)+計算模擬”實驗教學(xué)環(huán)節(jié)可通過改變材料主題(例如：鎂、銅、鋁合金)的方式，克服傳統(tǒng)實驗教學(xué)中內(nèi)容重復(fù)的缺點，提高學(xué)生參與實驗環(huán)節(jié)的積極性。同時，每屆學(xué)生收集的大量材料數(shù)據(jù)導(dǎo)入在建專業(yè)材料數(shù)據(jù)庫中進行有效分類和存儲，為未來數(shù)據(jù)驅(qū)動的機器學(xué)習(xí)模型提供數(shù)據(jù)支撐，更好地服務(wù)于材料專業(yè)的教學(xué)和科研工作。

將材料數(shù)據(jù)+計算模擬環(huán)節(jié)應(yīng)用到計算材料學(xué)實驗教學(xué)中，以科研內(nèi)容為導(dǎo)向創(chuàng)新實驗教學(xué)內(nèi)容，結(jié)合當(dāng)下鎂合金材料產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用需求設(shè)置實驗教學(xué)內(nèi)容，幫助學(xué)生理解和應(yīng)用材料數(shù)據(jù)，并通過計算模擬方法預(yù)測材料性能，引導(dǎo)學(xué)生轉(zhuǎn)變僅以經(jīng)驗和實驗為主的材料研發(fā)思路，領(lǐng)會“數(shù)據(jù)+計算”驅(qū)動的材料設(shè)計內(nèi)涵。同時提高學(xué)生的團隊協(xié)作、自主學(xué)習(xí)、動手實踐、科研分析、創(chuàng)新思維等多項能力，以滿足新工科建設(shè)對于人才培養(yǎng)的要求。